DE69110516T2

DE69110516T2 - Power supply.

Info

Publication number: DE69110516T2
Application number: DE69110516T
Authority: DE
Inventors: Arthur Geiger Black; John Ralph Mazzuca; Carl John Palmucci; Surya Krishnappa Rao
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-03-27
Filing date: 1991-03-20
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2011-03-21
Also published as: JP2533243B2; EP0449495A3; JPH04229076A; DE69110516D1; EP0449495A2; EP0449495B1; US4984146A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Stromversorgungen und die Unterdrückung elektromagnetischer Strahlung darin.The present invention relates to power supplies and the suppression of electromagnetic radiation therein.

Schaltstromversorgungen stellen eine Einrichtung zur Verfügung, um eine Wechselspannungsquelle in eine Gleichspannungsquelle umzuwandeln. Die Einrichtung zum Umwandeln der Spannungsquelle aus einer für Wechselspannung in eine für Gleichspannung schließt einen Gleichrichter ein, der die Übertragung einer Hälfte einer Wechselspannungskurve blockiert. Die Wechselspannungskurve wird an eine Diode innerhalb des Gleichrichters angelegt, und wenn der Kurvenverlauf sich im wesentlichen in einer ersten Phase befindet, führt die Diode Strom. Wenn die Diode sich im wesentlichen in einer zweiten Phase befindet, führt die Diode keinen Strom. Wenn die Diode einen Übergang vom Leiten (d.h. ein) zum Nichtleiten (d.h. aus) durchmacht, tritt während des Abschaltens ein hochfrequenter Überschwingstrom auf. Dieser Strom erzeugt eine unerwünschte Signalstörspannung oder elektromagnetische Störspannung (EMS). Dies gilt ganz besonders für Stromversorgungen mit hohen Strömen. Die elektromagnetische Störspannung kann eine von zwei Arten sein, a) leitergeführt oder b) abgestrahlt. Eine leitergeführte EMS wird hauptsächlich am Wechselstromeingang der Stromversorgung ausgesandt und gemessen und hat eine verhältnismäßig niedrige Frequenz von generell weniger als 10 MHz. Abgestrahlte EMS wird typisch ausgesandt bei einer hohen Frequenz und wird an einer Reihe von Stellen rund um die Stromversorgung gemessen. Generell wurden Stromversorgungen abgeschirmt, um die entwichene EMS zu unterdrücken, jedoch hat das Abschirmen nur eine begrenzte Wirkung, abhängig von der Frequenz der EMS. Je höher die Frequenz der EMS ist, um so weniger wirksam ist das Abschirmen, da die Abschirmung die Störspannung kapazitiv in die Umgebung weiterleitet.Switching power supplies provide a means for converting an AC source to a DC source. The means for converting the source from an AC source to a DC source includes a rectifier which blocks the transmission of one half of an AC waveform. The AC waveform is applied to a diode within the rectifier and when the waveform is substantially in a first phase, the diode carries current. When the diode is substantially in a second phase, the diode does not carry current. When the diode undergoes a transition from conducting (i.e. on) to non-conducting (i.e. off), a high frequency ringing current occurs during turn-off. This current generates an unwanted signal noise or electromagnetic interference (EMI). This is particularly true for high current power supplies. The electromagnetic interference can be one of two types, a) conducted or b) radiated. Conducted EMS is emitted and measured primarily at the AC input of the power supply and has a relatively low frequency, generally less than 10 MHz. Radiated EMS is typically emitted at a high frequency and is measured at a number of locations around the power supply. Generally, power supplies have been shielded to suppress the escaped EMS, but the shielding has only a limited effect, depending on the frequency of the EMS. The higher the frequency of the EMS, the less effective the shielding is. Shielding, as the shielding capacitively transmits the interference voltage into the environment.

Der Gleichstromfluß, der durch die Stromversorgung erzeugt wird, ist das Ergebnis dessen, daß die Gleichrichterdioden kontinuierlich ein- und ausgeschaltet werden. Dieses Schalten erzeugt Störspannungen an den internen Knoten der Stromversorgung aufgrund von Überschwingen in der Schaltung. Das heißt, die elektrischen Elemente in der Stromversorgung sind in solch einer Weise gebildet worden, daß sie es durch das Schalten der Diode vom " Ein-" in den "Aus-" Zustand bedingten Ausgleichsspannungs-Signalen erlauben, sich in der Schaltung auszubreiten. Die Störspannung breitet sich in dem Bereich, der die Stromversorgung umgibt, wegen der Wechselspannungsnatur des überschwingenden Signals und der kapazitiven Natur der Stromversorgung bezüglich der umgebenden Objekte als elektromagnetische Störspannung aus. Die Ausgleichsvorgänge sind das Ergebnis der der Schaltung als Folge der mechanischen Größe einer Stromversorgung für hohe Ströme innewohnenden Streuimpedanz. Ebenso werden, je mehr Strom die Stromversogung bewältigt, die Ausgleichsvorgänge um so größer, und um so größer wird das EMS-Problem. Die Streuimpedanzen und damit die EMS können unterdrückt oder in der Frequenz verschoben, aber nicht eliminiert werden, da die Streuimpedanz ein Teil des mechanischen Aufbaus der Stromversorgung ist.The DC current flow produced by the power supply is the result of the rectifier diodes being continuously switched on and off. This switching creates noise at the internal nodes of the power supply due to ringing in the circuit. That is, the electrical elements in the power supply are designed in such a way that they allow transient voltage signals caused by switching the diode from the "on" to the "off" state to propagate in the circuit. The noise propagates in the area surrounding the power supply as electromagnetic noise due to the AC nature of the ringing signal and the capacitive nature of the power supply with respect to surrounding objects. The transients are the result of the stray impedance inherent in the circuit as a result of the mechanical size of a high current power supply. Likewise, the more current the power supply handles, the greater the transients become, and the greater the EMS problem becomes. The stray impedances and thus the EMS can be suppressed or shifted in frequency, but not eliminated, since the stray impedance is part of the mechanical design of the power supply.

Verfahren nach dem Stand der Technik haben versucht, das Problem durch eine Reihenschaltung einer diskreten Spule mit der Gleichrichterdiode zu unterdrücken. Die Spule wirkt so, daß sie es dem Strom durch die Diode nicht erlaubt, sich wesentlich schneller zu ändern als das Umschalten, das durch das Wechselsspannungssignal an der Sekundärwicklung der Stromversorgung verlangt wird. Dies ist ein wirksames Verfahren, die EMS der Gleichrichterschaltung zu unterdrücken, es weist jedoch zwei Probleme auf. Erstens besitzt die Spule ihre eigene Streukapazität, die in der Stromversorgung montiert wird. Als Folge wird die EMS durch die Spule nicht wirksam unterdrückt, da die Kapazität die hochfrequente Störspannung weiterleitet. Zweitens weisen Spulen mit typischen Ferritkernen eine Kernableitung, akustische Störgeräusche (Niederfrequenz) und Spannungsregelprobleme zusätzlich zu und getrennt von den EMS-Problemen auf.Prior art methods have attempted to suppress the problem by connecting a discrete coil in series with the rectifier diode. The coil acts to not allow the current through the diode to change significantly faster than the switching required by the AC signal on the secondary winding of the power supply. This is an effective method of suppressing the EMI of the rectifier circuit, However, it has two problems. First, the coil has its own stray capacitance which is mounted in the power supply. As a result, the EMI is not effectively suppressed by the coil because the capacitance passes the high frequency noise voltage. Second, coils with typical ferrite cores have core leakage, acoustic noise (low frequency) and voltage regulation problems in addition to and separate from the EMI problems.

Sowohl die Lösung durch Abschirmung als auch die durch ein Netzwerk mit einem diskreten Element sind für das Problem der abgestrahlten EMS aus dem gleichen prinzipiellen Grund nicht wirkungsvoll. Das heißt, daß die Hochfrequenzwirkungen in Stromversorgungen durch die parasitären Elemente erzeugt werden, die dem Entwurf der Stromversorgung innewohnen. Ändern des grundsätzlichen Entwurfs der Stromversorgung erhöht die Beeinflussung der parasitären Wirkungen nicht merklich, und daher ist die Beeinflussung der Hochfrequenzwirkungen begrenzt.Both the shielding and discrete element network solutions are ineffective for the radiated EMI problem for the same fundamental reason. That is, the high frequency effects in power supplies are generated by the parasitic elements inherent in the power supply design. Changing the basic design of the power supply does not significantly increase the influence of the parasitic effects and therefore the influence of the high frequency effects is limited.

US-A-4 797 773 beschreibt eine Schutzeinrichtung gegen Ausgleichsvorgänge, bei der die elektromagnetische Störspannung (EMS) bei speziell ausgewählten Frequenzen unterdrückt wird durch Beeinflussen der räumlichen Anordnung einer Diodengruppe in einer Anordnung zum Unterbringen der Elektronik, um die Kennlinie der Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz für die gesamte Anordnung maßzuschneidern.US-A-4 797 773 describes a transient response protection device in which electromagnetic interference (EMI) is suppressed at specifically selected frequencies by influencing the spatial arrangement of a diode group in an electronics housing assembly to tailor the impedance versus frequency characteristic for the entire assembly.

Es sind Stromversorgungen bekannt, die Primär- und Sekundärwicklungen umfassen, ein Ausgangsfilter und eine Anzahl von Dioden, die parallel geschaltet sind und bei denen eine erste Elektrode mit der Sekundärwicklung verbunden ist und eine zweite Elektrode an einen Eingang des Ausgangsfilters angeschlossen ist. Vergleiche zum Beispiel IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 26 No. 7A Dezember 1983, Seiten 3518-3521.Power supplies are known which comprise primary and secondary windings, an output filter and a number of diodes connected in parallel and in which a first electrode is connected to the secondary winding and a second electrode is connected to an input of the output filter. Compare for example IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 26 No. 7A December 1983, pages 3518-3521.

Diese Erfindung stellt eine Stromversorgung dieser Art bereit, die dadurch gekennzeichnet ist, daß jede Diode einen getrennten Anschluß aufweist, der ihre erste Elektrode mechanisch und elektrisch direkt mit der Sekundärwicklung verbindet, wobei die Anschlüsse für eine vorgegebene Serienimpedanz zwischen der Sekundärwicklung und der ersten Elektrode jeder Diode sorgen, und die vorgegebene Serienimpedanz eine solche ist, daß die abgestrahlte elektromagnetische Störspannung unterdrückt wird.This invention provides a power supply of this kind, characterized in that each diode has a separate terminal mechanically and electrically connecting its first electrode directly to the secondary winding, the terminals providing a predetermined series impedance between the secondary winding and the first electrode of each diode, the predetermined series impedance being such that the radiated electromagnetic interference voltage is suppressed.

Die Impedanzen der Serienanschlüsse können durch die Wahl der Materialien, aus denen sie hergestellt werden, ihre Anordnung bezüglich der Primärwicklung und ihre Größe und/oder Form vorgegeben werden.The impedances of the series terminals can be determined by the choice of the materials from which they are made, their arrangement with respect to the primary winding and their size and/or shape.

Die Erfindung ermöglicht es, daß Wechselspannung in Gleichspannung umsetzende Schaltstromversorgungen durch Unterdrücken der abgestrahlten elektromagnetischen Störspannung verbessert werden. Dies geschieht durch Unterdrücken der abgestrahlten elektromagnetischen Störspannung, unabhängig vom Unterdrücken leitergeführter elektromagnetischer Störspannung und ohne das Hinzufügen von diskreten Elementen zu der Stromversorgung.The invention enables AC to DC switching power supplies to be improved by suppressing radiated electromagnetic interference. This is done by suppressing radiated electromagnetic interference independently of suppressing conductor-conducted electromagnetic interference and without adding discrete elements to the power supply.

Diese Erfindung rührt von der Erkenntnis her, daß die vorhandenen mechanischen Verbindungen der Stromversorgung die Quelle der Streuimpedanz sind, welche Ausgleichs- Störspannungen von dem Ausgangsanschluß der Gleichrichterdioden innerhalb der Stromversorgung übertragen. Diese mechanischen Verbindungen werden modifiziert, um das elektrische Verhalten des Stromversorgungsnetzwerkes anzupassen, das wiederum die abgestrahlte EMS moduliert. Das Modifizieren der vorhandenen Verbindungen zwischen den Elementen in der Stromversorgung unterdrückt die abgestrahlte EMS, ohne daß diskrete Elemente zu dem Stromversorgungsnetzwerk hinzugefügt werden. Das Hinzufügen diskreter Elemente zu dem Netzwerk ist nicht wirksam, um abgestrahlte EMS zu unterdrücken, da die Streuimpedanz der Verbindungen das Störspannungsproblem verschärft. Das Hinzufügen von Elementen fügt lediglich mehr Streuverdrahtung dem Netzwerk hinzu und, während die Störspannung in einem Frequenzband unterdrückt wird, verschärft es üblicherweise das Problem in einem anderen Frequenzband. Diese Erfindung vermeidet das Problem dadurch, daß Streuimpedanz nicht hinzugefügt wird, sondern die vorhandene Streuimpedanz direkt modifiziert wird.This invention stems from the realization that the existing mechanical connections of the power supply are the source of the stray impedance which transmits compensating noise voltages from the output terminal of the rectifier diodes within the power supply. These mechanical connections are modified to adjust the electrical behavior of the power supply network, which in turn modulates the radiated EMI. The Modifying the existing connections between the elements in the power supply suppresses radiated EMI without adding discrete elements to the power supply network. Adding discrete elements to the network is not effective in suppressing radiated EMI because the stray impedance of the connections exacerbates the noise problem. Adding elements simply adds more stray wiring to the network and, while suppressing noise in one frequency band, usually exacerbates the problem in another frequency band. This invention avoids the problem by not adding stray impedance but directly modifying the existing stray impedance.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im einzelnen unten unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben:Embodiments of the invention are described in detail below with reference to the following figures:

Figur 1 stellt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, das speziell die mechanischen Verbindungen der Elemente der Stromversorgung zeigt;Figure 1 represents a first embodiment of the invention, specifically showing the mechanical connections of the elements of the power supply;

Figur 2 stellt die Ersatzschaltung der Stromversorgung dar, die die mechanischen Verbindungen nach Figur 1 aufweist;Figure 2 shows the equivalent circuit of the power supply, which has the mechanical connections according to Figure 1 ;

Figur 3 zeigt die üblichen mechanischen Verbindungen der Elemente der Stromversorgung;Figure 3 shows the usual mechanical connections of the elements of the power supply;

Figur 4 stellt die erhaltenen Meßergebnisse der abgestrahlten EMS in einer Stromversorgung dar, die die vorliegende Erfindung nicht verwendet;Figure 4 shows the measurement results obtained of the radiated EMI in a power supply not using the present invention;

Figur 5 stellt die erhaltenen Meßergebnisse der abgestrahlten EMS in einer Stromversorgung dar, die die vorliegende Erfindung verwendet;Figure 5 shows the obtained measurement results of the radiated EMI in a power supply using the present invention;

Figur 6 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, das speziell die elektrische Schaltung der mechanischen Verbindungen der Elemente der Stromversorgung darstellt.Figure 6 illustrates a second embodiment of the present invention, specifically illustrating the electrical circuit of the mechanical connections of the elements of the power supply.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Figur 1 im Hinblick auf eine Stromversorgung dargestellt. Generell werden Impedanzen, die in Reihe mit den Gleichrichterdioden dieser Stromversorgung liegen, auf zwei Arten angepaßt erstens wird die Position jeder mechanischen Verbindung im Himblick auf sowohl den primären Hohlraum als auch die andere mechanische Verbindung angepaßt, zweitens wird jede elektrische Verbindung physisch so ausgebildet, daß sie für ein spezielles elektrisches Verhalten bezüglich der anderen elektrischen Verbindung sorgt. Da die elektrischen und mechanischen Verbindungen beide aus dem gleichen Material hergestellt sind, paßt das Ändern der physischen Größe und das Anbringen des Anschlusses die in Reihe zu den Gleichrichterdioden liegenden elektrischen Impedanzen an. Diese Impedanzmodifikationen modulieren den Strom, der sich auf die Gleichrichterdioden aufteilt, und unterdrücken als Folge die abgestrahlte EMS und verschieben sie in der Frequenz.A first embodiment of the present invention is shown in Figure 1 with respect to a power supply. Generally, impedances in series with the rectifier diodes of this power supply are adjusted in two ways. First, the position of each mechanical connection is adjusted with respect to both the primary cavity and the other mechanical connection, and second, each electrical connection is physically designed to provide a specific electrical behavior with respect to the other electrical connection. Since the electrical and mechanical connections are both made of the same material, changing the physical size and placement of the connection adjusts the electrical impedances in series with the rectifier diodes. These impedance modifications modulate the current shared by the rectifier diodes and, as a result, suppress and frequency shift the radiated EMI.

Um die Erfindung für Zwecke der Erläuterung zu erklären, besitzt, genauer gesagt, die Stromversorgung ein Gehäuse 10 für den primären Hohlraum und einen zugehörigen Kern 20. Die Sekundärwicklung 30 des Transformators ist an dem Gehäuse des primären Hohlraums 10 befestigt. Die Sekundärwicklung des Transformators besteht aus einem Stapel von Metallplatten, die in solch einer Weise ausgebildet sind, daß sie für mehrfache Stromschleifen sorgen, und daß Verbindungen zwischen Ebenen in dem Stapel so bestehen, daß eine Sekundärwicklung gebildet wird. Die Sekundärwicklung hat bei diesem Ausführungsbeispiel eine bis fünf Windungen, jedoch kann sie viel mehr aufweisen. Bei der Sekundärwicklung 30 des Transformators ist ein Ende der Wicklung mit einer Struktur 40 von Ausgangsdioden über elektrische Leiter 32 und 34 verbunden. Die elektrischen Leiter 32 und 34 verbinden die Sekundärwicklung 30 mit zwei Diodenhaltern 42 bzw. 44 auf der Diodenstruktur 40. Die Diodenhalter 42 und 44 verbinden die elektrischen Leiter 32 und 34 mit den Dioden 36 bzw. 38. Die Dioden 36 und 38 sind als einzelne Dioden dargestellt, können aber getrennte Gruppen von Dioden sein, die parallel geschaltet sind, abhängig von der gewünschten Strombemessung. Bei jeder Diode ist eine RC- Serienkombination 46 und 48 von der Anode (oder der Verbindung des Diodenhalters) ausgehend mit der Kathode verbunden.More specifically, to explain the invention for purposes of explanation, the power supply comprises a housing 10 for the primary cavity and an associated core 20. The secondary winding 30 of the transformer is secured to the housing of the primary cavity 10. The secondary winding of the transformer consists of a stack of metal plates which are formed in such a way as to provide multiple current loops and that connections between levels in the stack to form a secondary winding. The secondary winding has one to five turns in this embodiment, but may have many more. The transformer secondary winding 30 has one end of the winding connected to a structure 40 of output diodes via electrical conductors 32 and 34. The electrical conductors 32 and 34 connect the secondary winding 30 to two diode holders 42 and 44, respectively, on the diode structure 40. The diode holders 42 and 44 connect the electrical conductors 32 and 34 to diodes 36 and 38, respectively. The diodes 36 and 38 are shown as individual diodes, but may be separate groups of diodes connected in parallel, depending on the desired current rating. Each diode has an RC series combination 46 and 48 connected from the anode (or diode holder junction) to the cathode.

Figur 2 stellt die elektrische Ersatzschaltung der Stromversorgung dar. Sie zeigt, daß die Kathode der ersten Diodenstruktur 40 mit der Kathode einer Filterdiode 25 und mit dem ersten Eingang eines Ausgangsfilters 80 verbunden ist. Die Anode der Filterdiode 25 ist sowohl mit dem zweiten Ende der Sekundärwicklung 30 als auch dem zweiten Eingang des Ausgangsfilters 80 verbunden. Die Filterdiode 25 ist mechanisch der ersten Diodenstruktur 40 ähnlich. Es gibt zwei Dioden, von denen jede eine RC-Kombination 29 parallel zu der einzelnen Diode aufweist, und die mit einem elektrischen Leiter 27 in Reihe geschaltet sind, ähnlich den elektrischen Leitern 32 und 34 der ersten Diodenstruktur. Die Dioden in Reihe mit den elektrischen Leitern sind dann parallel miteinander verbunden ähnlich der ersten Diodenstruktur. Das Ausgangsfilter 80 ist ein LC-Tiefpaßnetzwerk, das als ein Filter zweiter Ordnung arbeitet. Das Netzwerk kann bedeutend variiert werden, abhängig von den gewünschten Eigenschaften der gesamten Stromversorgung.Figure 2 illustrates the electrical equivalent circuit of the power supply. It shows that the cathode of the first diode structure 40 is connected to the cathode of a filter diode 25 and to the first input of an output filter 80. The anode of the filter diode 25 is connected to both the second end of the secondary winding 30 and the second input of the output filter 80. The filter diode 25 is mechanically similar to the first diode structure 40. There are two diodes, each having an RC combination 29 in parallel with the single diode, and which are connected in series with an electrical conductor 27, similar to the electrical conductors 32 and 34 of the first diode structure. The diodes in series with the electrical conductors are then connected in parallel with each other, similar to the first diode structure. The output filter 80 is an LC low-pass network which operates as a second order filter. The network can be varied considerably depending on the desired characteristics of the overall power supply.

Die allgemeine Arbeitsweise der Stromversorgung ist darin der von üblichen Stromversorgungen ähnlich, daß die Wechselspannung für die Stromversorgung der Primärwicklung 12 zugeführt wird. Dieses Signal beträgt etwa 300 Volt von Spitze zu Spitze bei 33 KHz. Dieses Signal erzeugt einen Strom und eine Spannung in der Sekundärwicklung des Transformators. Wenn die Wechselspannung der Stromversorgung sich in einer ersten Phase befindet (die obere Hälfte des Spannungsunterschiedes von Spitze zu Spitze), fließt der Strom von der Sekundärwicklung in die Diodenstruktur 40. Die Diodenstruktur 40 ist durch die Spannung, die in der Sekundärwicklung erzeugt wird, in den leitenden Zustand vorgespannt, und sie erlaubt es dem Strom, durch die Diodenstruktur 40 zu der Kathodenverbindung der Filterdiode 25 und in das Ausgangsfilter 80 zu fließen. Die Filterdiode 25 ist während der ersten Phase der Wechselspannung der Stromversorgung in ihren nichtleitenden Zustand vorgespannt. Wenn die zweite Phase der Wechselspannung der Stromversorgung an die Primärwicklung 12 angelegt wird, schaltet die Diodenstruktur 40 ab, und die Filterdiode 25 ist im wesentlichen von der Sekundärwicklung 30 durch die Diodenstruktur 40 isoliert. Die Filterdiode 25 führt dann einen Gleichstrom, der durch die Spule 82 in dem Tiefpaß-Ausgangsfilter 80 aufrechterhalten wird. Das konstante Laden und Entladen der Spule 82 in dem Tiefpaß-Ausgangsfilter 80 hat einen Gleichstromfluß mit einer verringerten Ausgangsspannung von, bei diesem Ausführungsbeispiel, 3,6 Volt zur Folge, obwohl ein weiter Bereich von Ausgangsspannungen vorgesehen werden kann.The general operation of the power supply is similar to that of conventional power supplies in that the AC voltage for the power supply is applied to the primary winding 12. This signal is approximately 300 volts peak to peak at 33 KHz. This signal produces a current and a voltage in the secondary winding of the transformer. When the AC voltage of the power supply is in a first phase (the upper half of the peak to peak voltage difference), the current flows from the secondary winding into the diode structure 40. The diode structure 40 is biased to the conducting state by the voltage developed in the secondary winding and allows the current to flow through the diode structure 40 to the cathode junction of the filter diode 25 and into the output filter 80. The filter diode 25 is biased to its non-conducting state during the first phase of the AC voltage of the power supply. When the second phase of the AC power supply is applied to the primary winding 12, the diode structure 40 turns off and the filter diode 25 is substantially isolated from the secondary winding 30 by the diode structure 40. The filter diode 25 then carries a DC current which is maintained by the coil 82 in the low pass output filter 80. The constant charging and discharging of the coil 82 in the low pass output filter 80 results in a DC current flow with a reduced output voltage of, in this embodiment, 3.6 volts, although a wide range of output voltages can be provided.

Der Gleichstromfluß, der in der Stromversorgung erzeugt wird, ist das Ergebnis davon, daß die Dioden in der Diodenstruktur 40 kontinuierlich ein- und ausgeschaltet werden und die Spule 82 des Ausgangsfilters laden und entladen. Das Ein- und Ausschalten der Dioden verursacht, daß eine Ausgleichs- Störspannung an den elektrischen Knoten der Stromversorgung erscheint. Diese Störspannung wird in den umgebenden Bereich der Stromversorgung aufgrund der kapazitiven Natur der Stromversorgung bezüglich der Umgebung als elektrische Störspannung übertragen. Wenn sich die Ausgleichs-Störspannung der Frequenz 10 MHz nähert, überträgt die Kapazität der Stromversorgung genug Störspannung, um eine bedeutende elektrische Störspannung zu bilden. Das ist es, wenn die Störspannung als abgestrahlte EMS bezeichnet wird, und die Frequenz, bei der sie beginnt, verändert sich mit den speziellen Entwürfen von Stromversorgungen.The DC current flow generated in the power supply is the result of the diodes in the diode structure 40 continuously turning on and off and charging and discharging the output filter coil 82. The turning on and off of the diodes causes a compensating noise voltage to be applied to the electrical nodes of the power supply. appears. This noise is transmitted to the surrounding area of the power supply as electrical noise due to the capacitive nature of the power supply with respect to the environment. As the compensating noise approaches 10 MHz in frequency, the capacitance of the power supply transmits enough noise to form a significant electrical noise. This is when the noise is referred to as radiated EMI, and the frequency at which it starts varies with the particular designs of power supplies.

Obgleich die allgemeine Wirkungsweise dieser Stromversorgung der von üblichen Stromversorgungen ähnlich ist, ist ihre Arbeitsweise bezüglich abgestrahlter EMS nicht üblich. Das Schalten der Dioden erzeugt eine Störspannung an den internen Knoten der Stromversorgung aufgrund der Ausgleichsvorgänge in der Schaltung. Die Störspannung breitet sich als elektromagnetische Störspannung in den Bereich aus, der die Stromversorgung umgibt. Dieses Überschwingen ist ein Ergebnis der Streuimpedanz, die der Schaltung als Folge der mechanischen Struktur der Stromversorgung hinzugefügt wird. Die Streuimpedanz kann minimiert werden, und daher kann die EMS unterdrückt oder in der Frequenz verschoben werden, aber die Streuimpedanzen können nicht eliminiert werden, da sie ein Teil des mechanischen Aufbaus der Stromversorgung sind. Der Stand der Technik hat Ferritkernspulen in Reihe mit der Diodenstruktur 40 und 25 verwendet, um die abgestrahlte EMS zu unterdrücken. Die Wirksamkeit hiervon ist wegen der eigenen Streuimpedanz der Spulen begrenzt gewesen und weil die Spulen ihre eigenen Probleme bezüglich der Kernableitung, des akustischen Störgeräusches (Niederfrequenz) und der Spannungsregelung neben den EMS Problemen aufweisen.Although the general operation of this power supply is similar to that of conventional power supplies, its operation with respect to radiated EMI is not conventional. The switching of the diodes creates a noise voltage at the internal nodes of the power supply due to the transients in the circuit. The noise voltage propagates as electromagnetic noise into the area surrounding the power supply. This ringing is a result of the stray impedance added to the circuit as a result of the mechanical structure of the power supply. The stray impedance can be minimized and therefore the EMI can be suppressed or shifted in frequency, but the stray impedances cannot be eliminated as they are part of the mechanical design of the power supply. The prior art has used ferrite core coils in series with the diode structure 40 and 25 to suppress the radiated EMI. The effectiveness of this has been limited because of the coils' own stray impedance and because the coils have their own problems with core dissipation, acoustic noise (low frequency) and voltage regulation in addition to the EMS problems.

Die vorliegende Erfindung minimiert die EMS durch Aufteilen der parallelen elektrischen Verbindung zwischen den Dioden in der Diodenstruktur 40 und der Filterdiode 25. Figur 3 zeigt die übliche mechanische und elektrische Verbindung der Dioden mit der Sekundärwicklung. Es gibt einen Anschluß 100, der die Sekundärwicklung 30 elektrisch mit den einzelnen Dioden verbindet. Im Gegensatz dazu zeigt Figur 1, daß der Leiter 32 in Reihe mit der Diode 36 liegt und für eine erste Impedanz sorgt, und der Leiter 34 in Reihe mit der Diode 38 liegt und für eine zweite Impedanz sorgt. Beide Impedanzen sind mit einem Ende der Sekundärwicklung verbunden. Die Leiter 32 und 34 besitzen Streuinduktivität, Widerstand und Kapazität. Sie sind Unterdrückungsnetzwerke in sich selbst. Die vorliegende Erfindung benutzt die Impedanz der Sekundärwicklung 30 wie auch die Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften der Leiter selbst, um die abgestrahlte EMS zu modulieren. Das getrennte Anpassen jeder der Impedanzen sorgt für die Fähigkeit, die abgestrahlte EMS wirksam zu unterdrücken. Anstatt zu versuchen, Komponenten hinzuzufügen, die die Streuimpedanzprobleme kompensieren, liefert lediglich das Anpassen einer vorhandenen Quelle des Problems ein verbessertes Ergebnis.The present invention minimizes the EMS by splitting the parallel electrical connection between the diodes into the diode structure 40 and the filter diode 25. Figure 3 shows the usual mechanical and electrical connection of the diodes to the secondary winding. There is a terminal 100 which electrically connects the secondary winding 30 to the individual diodes. In contrast, Figure 1 shows that conductor 32 is in series with diode 36 providing a first impedance and conductor 34 is in series with diode 38 providing a second impedance. Both impedances are connected to one end of the secondary winding. Conductors 32 and 34 have stray inductance, resistance and capacitance. They are suppression networks in themselves. The present invention uses the impedance of secondary winding 30 as well as the differences in the electrical properties of the conductors themselves to modulate the radiated EMI. Matching each of the impedances separately provides the ability to effectively suppress the radiated EMI. Rather than trying to add components that compensate for the stray impedance problems, simply adjusting an existing source of the problem will produce an improved result.

Figur 1 zeigt, daß der Leiter 34 und die Diode 38 sich näher am primären Hohlraum 10 befinden als der Leiter 32 und die Diode 36. Die Dioden sind in der elektrischen Leistung identisch, so daß bei gegebenen Identischen elektrischen Leitern der Strom ungleichmäßig zwischen den beiden Dioden aufgeteilt würde, allein wegen der Position der Diode auf dem Transformator. Das räumliche Justieren der Position der Diode auf der Sekundärwicklung des Transformators hinsichtlich sowohl des Primärkerns und der zweiten Diode ist daher ein Parameter, um die Streuimpedanz des Netzwerkes der Diodenstruktur zu modulieren. Außerdem können die elektrischen Eigenschaften der Leiter selbst geändert werden, indem der Leiter eine andere Form erhält oder er aus einem anderen Material hergestellt wird. Da die Impedanz eines Leiters selbst die Stromverteilung zwischen den Dioden in ähnlicher Weise beeinflußt wie die Wirkungen der Anordnung von Leitern auf der Sekundärwicklung des Transformators, sind die elektrischen Eigenschaften des Leiters ein zweiter Parameter, um die Streuimpedanz der Diodenstruktur zu modulieren. Die gemeinsame Verbindung der Dioden im Stand der Technik erlaubte keine unabhängige Modulation der Stromverteilung für jede Diode. Außerdem trennte der Stand der Technik nicht die Verwendung der Impedanz der Diodenverbindung von der Benutzung der Impedanz der Sekundärwicklung des Transformators. Das getrennte Benutzen der beiden Paramter sorgt für eine verbesserte Fähigkeit, die EMS zu minimieren.Figure 1 shows that conductor 34 and diode 38 are closer to primary cavity 10 than conductor 32 and diode 36. The diodes are identical in electrical performance, so that given identical electrical conductors, the current would be divided unequally between the two diodes simply because of the position of the diode on the transformer. Spatially adjusting the position of the diode on the secondary winding of the transformer with respect to both the primary core and the second diode is therefore a parameter for modulating the stray impedance of the network of the diode structure. In addition, the electrical properties of the conductors themselves can be changed by giving the conductor a different shape or by making it out of a different material. Since the impedance of a conductor itself affects the current distribution between the diodes in a similar manner to the effects of the arrangement of conductors on the secondary winding of the transformer, the electrical properties of the conductor are a second parameter to modulate the stray impedance of the diode structure. The prior art connection of the diodes together did not allow independent modulation of the current distribution for each diode. In addition, the prior art did not separate the use of the impedance of the diode connection from the use of the impedance of the secondary winding of the transformer. Using the two parameters separately provides an improved ability to minimize the EMI.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die Leiter aus Kupfer hergestellt, 0,3 mm dick, und die Verbindungen zu den Leitern weisen einen Abstand von 6 mm auf. Zusätzlich sind die Leiter unterschiedlich breit, wobei der Leiter 34 etwa 9/10 der Breite des Leiters 32 aufweist. Die Leiter könnten dicker, breiter sein oder aus einem anderen elektrisch leitenden Material bestehen wie z.B. Zinn, Blei, Gold oder einer Kombination davon. Außerdem können die Leiter aus einer Kombination von Nichtleitern und Leitern hergestellt sein, wie z.B. einem keramischen Material, das zwischen zwei Leiterplatten aus Kupfer oder dergleichen angeordnet ist. Die Form und das Material des Leiters bestimmen die elektrische Wirkungsweise des Leiters. Der Effekt des Modulierens der Impedanz durch die Position und die Parameter des Leiters ist aus den Figuren 4 und 5 ersichtlich. Figur 4 ist ein typisches Meßergebnis einer abgegebenen Strahlung einer 3,6 Volt Stromversorgung, die bei 725 Ampere mit einem einzigen Leiter arbeitet, wie das in Figur 3 dargestellt ist. Figur 5 ist das gleiche Meßergebnis mit getrennten Leitern, die wie oben beschrieben angeordnet und ausgebildet sind. Zwei auffällige Unterschiede sind dargestellt. Erstens, die abgestrahlte EMS ist bedeutend unterdrückt, um etwa 20 dB (uV/Meter). Zweitens, der Spitzenwert der abgestrahlten EMS ist in der Frequenz weiter nach unten verschoben. Diese beiden Unterschiede in dem abgestrahlten EMS-Spektrum veranschaulichen die Wirksamkeit dieses Verfahrens für das Minimieren der abgestrahlten EMS.In this embodiment, the conductors are made of copper, 0.3 mm thick, and the connections to the conductors are spaced 6 mm apart. In addition, the conductors vary in width, with conductor 34 being about 9/10 the width of conductor 32. The conductors could be thicker, wider, or made of another electrically conductive material such as tin, lead, gold, or a combination thereof. In addition, the conductors could be made of a combination of non-conductive and conductive materials, such as a ceramic material sandwiched between two copper circuit boards or the like. The shape and material of the conductor determine the electrical performance of the conductor. The effect of modulating the impedance by the position and parameters of the conductor can be seen in Figures 4 and 5. Figure 4 is a typical measurement of emitted radiation from a 3.6 volt power supply operating at 725 amps with a single conductor as shown in Figure 3. Figure 5 is the same measurement result with separate conductors arranged and designed as described above. Two noticeable differences are shown. First, the radiated EMS is significantly suppressed to about 20 dB (uV/meter). Second, the peak value of the radiated EMS is shifted further down in frequency. These two differences in the radiated EMS spectrum illustrate the effectiveness of this method for minimizing radiated EMS.

Figur 6 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel dieser Erfindung, wenn sie bei einem Vollweggleichrichter angewandt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Sekundärwicklung 30 eine Mittelanzapfung auf. Die Verbindung 50 zur Mittelanzapfung ist mit dem zweiten Eingang des Ausgangsfilters 80 verbunden. Der erste Eingang für das Ausgangsfilter 80 ist, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, die gemeinsame Kathodenverbindung zwischen der Diodenstruktur 40 und der Filterdiode 25. Ebenfalls ist, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, jedes Ende der Sekundärwicklung 30 mit einer Anode einer Diode über einzelne Leiter verbunden. In der Diodenstruktur 40 ist die Anode der Diode 36 mit einem Ende der Sekundärwicklung 30 über den Leiter 32 verbunden, und die Anode der Diode 38 ist mit dem gleichen Ende der Sekundärwicklung über den Leiter 34 verbunden. Die Dioden 36 und 38 weisen jede RC-Kombinationen 46 bzw. 48 auf, die zu ihnen parallelgeschaltet sind. In ähnlicher Weise ist das zweite Ende der Sekundärwicklung 30 über zwei Leiter 27 mit den Anoden von zwei Dioden verbunden, die die Filterdiode 25 bilden. Jede der Dioden weist eine RC-Kombination 29 auf, die zu ihnen parallelgeschaltet ist. Die Kathoden der Dioden sind gemeinsam mit dem ersten Eingang des Ausgangsfilters 80 verbunden.Figure 6 illustrates a second embodiment of this invention when applied to a full wave rectifier. In this embodiment, the secondary winding 30 has a center tap. The connection 50 to the center tap is connected to the second input of the output filter 80. The first input for the output filter 80 is, as in the first embodiment, the common cathode connection between the diode structure 40 and the filter diode 25. Also, as in the first embodiment, each end of the secondary winding 30 is connected to an anode of a diode via individual conductors. In the diode structure 40, the anode of the diode 36 is connected to one end of the secondary winding 30 via conductor 32, and the anode of the diode 38 is connected to the same end of the secondary winding via conductor 34. Diodes 36 and 38 each have RC combinations 46 and 48 connected in parallel with them. Similarly, the second end of secondary winding 30 is connected via two conductors 27 to the anodes of two diodes forming filter diode 25. Each of the diodes has an RC combination 29 connected in parallel with them. The cathodes of the diodes are connected in common to the first input of output filter 80.

Die allgemeine Wirkungsweise dieser Stromversorgung ist ähnlich der von üblichen Vollweg-Stromversorgungsschaltungen. Eine Wechselspannung der Stromversorgung wird an die Primärwicklung 12 angelegt, die etwa 300 Volt von Spitze zu Spitze bei 33 KHz beträgt. Dieses Spannungssignal erzeugt einen Strom und eine Spannung in der Sekundärwicklung 30. Während einer ersten Phase des Wechselspannungssignals (die obere Hälfte der Spannung von Spitze zu Spitze) fließt der Strom von der Sekundärwicklung 30 in die Diodenstruktur 40. Die Diodenstruktur 40 leitet während dieser ersten Phase den Strom in das Ausgangsfilter 80. Wenn das Wechselspannungssignal sich in einer zweiten Phase befindet, (untere Hälfte der Spannung von Spitze zu Spitze), fließt der Strom aus der Sekundärwicklung 30 in die Filterdiode 25. Die Filterdiode 25 leitet den Strom während dieser zweiten Phase in das Ausgangsfilter 80 weiter. Die Spule 82 des Ausgangsfilters hält einen konstanten Strom aufrecht, der während der ersten und zweiten Phasen des Wechselspannungssignals der Stromversorgung als auch während des Übergangs zwischen den beiden Phasen fließt.The general operation of this power supply is similar to that of conventional full-wave power supply circuits. An alternating voltage from the power supply is applied to the primary winding 12 which is approximately 300 volts peak to peak at 33 KHz. This voltage signal produces a current and voltage in the secondary winding 30. During a first phase of the AC signal (the upper half of the peak to peak voltage), current flows from the secondary winding 30 into the diode structure 40. The diode structure 40 passes the current into the output filter 80 during this first phase. When the AC signal is in a second phase (lower half of the peak to peak voltage), current flows from the secondary winding 30 into the filter diode 25. The filter diode 25 passes the current into the output filter 80 during this second phase. The output filter coil 82 maintains a constant current flowing during the first and second phases of the AC signal from the power supply as well as during the transition between the two phases.

Der Strom der Stromversorgung wird durch das konstante Laden und Entladen der Spule 82 des Ausgangsfilters über die Diodenstruktur 40 und die Filterdiode erzeugt. Abgestrahlte EMS wird durch das zugehorige Umschalten der Diode erzeugt. Diese Erfindung unterdrückt die abgestrahlte EMS durch individuelles Anpassen der Impedanz jedes Leiters, der mit den Dioden verbunden ist. Das Anpassen der Impedanz erfolgt entweder durch das Einstellen der Größe und Form des einzelnen Leiters oder durch seine Anordnung auf der Sekundärwicklung im Hinblick auf den Kern der Primärwicklung. In jedem Fall wird der auf die Dioden verteilte Strom geändert und die abgestrahlte EMS wird verringert ohne Hinzufügen diskreter Elemente zu der Schaltung, die die Streuimpedanz als Quelle für das Problem der abgestrahlten EMS vergrößern.The power supply current is generated by the constant charging and discharging of the output filter coil 82 through the diode structure 40 and the filter diode. Radiated EMI is generated by the associated switching of the diode. This invention suppresses radiated EMI by individually adjusting the impedance of each conductor connected to the diodes. Adjusting the impedance is accomplished either by adjusting the size and shape of the individual conductor or by its placement on the secondary winding with respect to the core of the primary winding. In either case, the current distributed to the diodes is changed and radiated EMI is reduced without adding discrete elements to the circuit that increase the stray impedance as a source of the radiated EMI problem.

Die Erfindung sorgt für ein Mittel zum Unterdrücken abgestrahlter elektromagnetischer Strahlung in Wechselstrom/Gleichstrom-Stromversorgungen mit hohen Strömen. Diese Strahlung ist das Ergebnis von Ausgleichs-Störspannungen der Gleichrichterdiode, die sich durch das elektrische Netzwerk der Stromversorgung ausbreiten. Die Ausgleichs- Störspannungen breiten sich über die elektrischen und mechanischen Verbindungen der Dioden zu der Sekundärwicklung des Transformators aus. Diese Verbindungen weisen eine Streuimpedanz auf, die es hochfrequenten Störspannungen erlaubt, durch sie weitergeleitet zu werden. Die Streuimpedanzen können moduliert werden, um das Ausbreiten der hochfrequenten Störspannung zu unterdrücken ohne Hinzufügen diskreter Spulen- oder Kondensatorelemente zu dem elektrischen Netzwerk. Die Modulation der Streuimpedanzen wird erreicht durch Einstellen der Stromverteilung zwischen den Gleichrichterdioden. Dies wird erreicht durch Aufspalten der parallelen Verbindung zwischen den Gleichrichterdioden und dadurch, daß die Verbindung der Dioden mit der Sekundärwicklung des Transformators an verschiedenen Punkten längs der Sekundärwicklung hergestellt wird. Die getrennte Impedanz sowohl des Transformators und der einzelnen Verbindungen moduliert die vorhandene Streuimpedanz, um die abgestrahlt elektromagnetische Störspannung zu unterdrücken.The invention provides a means for suppressing radiated electromagnetic radiation in AC/DC power supplies with high currents. This radiation is the result of transient noise from the rectifier diode propagating through the electrical network of the power supply. The transient noise propagates through the electrical and mechanical connections of the diodes to the secondary winding of the transformer. These connections have a stray impedance that allows high frequency noise to pass through them. The stray impedances can be modulated to suppress the propagation of the high frequency noise without adding discrete coil or capacitor elements to the electrical network. Modulation of the stray impedances is achieved by adjusting the current distribution between the rectifier diodes. This is achieved by splitting the parallel connection between the rectifier diodes and by making the connection of the diodes to the secondary winding of the transformer at different points along the secondary winding. The separate impedance of both the transformer and the individual connections modulates the existing stray impedance to suppress the radiated electromagnetic interference.

Claims

1. Power supply, containing:

- Primary (12) and secondary windings (30),

- an output filter (80),

- a series of parallel-connected diodes (36, 38), each having a first electrode connected to the secondary winding (30) and a second electrode connected to an input of the output filter, characterized in that each diode has a separate terminal (32, 34) mechanically and electrically connecting its first electrode directly to the secondary winding (30), the terminals (32, 34) providing a predetermined series impedance between the secondary winding and the first electrode of each diode, the predetermined series impedance being such that the radiated electromagnetic interference voltage is suppressed.

2. Power supply according to claim 1, in which the impedances of the terminals (32, 34) are predetermined by the choice of the materials which they contain.

3. Power supply according to claim 1 or claim 2, in which the impedances of the terminals (32, 34) are predetermined by their position with respect to the primary winding (12).

4. A power supply according to any preceding claim, wherein the impedance of the terminals (32, 34) is determined by the size and/or shape of the terminals (32, 34).

5. A power supply according to any preceding claim, in which the terminals (32, 34) are spaced from each other and from the secondary winding (30) to provide separately adjustable series impedances for each of the diodes.